气田加热炉燃料气用量高原因分析及对策研究

龚小平 胡世家 曾 力 柯玉彪 杨关键

（中国石化西南油气分公司，四川 阆中637402）

Y气田属于高温高压气田，气田采用“三级节流、两级加热”方式进行输气，现有33 台加热炉设备，气田开发中，加热炉在阻止天然气水合物的生产、单质硫的析出，恒温控制、自控联锁方面起着重要的作用。加热炉设备通过燃烧净化后的燃料气，为每口井二、三级节流后酸气提供热量，防止气体温度过低形成水合物。加热炉运行过程中存在热效率过低、加热后局部温度过高等问题，这些问题直接导致加热炉燃料气消耗量增大，而且制约了气田生产能力，系统分析问题要因，并针对性做出整改措施对气田加热炉的设计起着借鉴作用，对后期生产效果、经济效益、社会效益具有重大意义。

1 基本情况

Y气田采用“三级节流、两级加热”方式进行输气，加热炉是重要的保温工艺。气田加热炉统一采用燃料气进行供气，统计结果显示2018 年加热炉燃料气用量为502.69 万方，投入费用高达603.22万元，投入费用大，有必要进行优化改进以降低投入成本。

2 加热炉燃料气用量高原因

影响加热炉燃料气用量高原因很多，采用“5M1E 法”分析出原因主要有6 点。采用理论分析、现场试验等方法确定影响加热炉燃料气用量高要因共3 点，包括加热炉炉膛积碳、加热炉温控阀无法实现自动控温、部分气井酸气管道温压参数不匹配。

2.1 加热炉炉膛积碳

由于受环境和调产影响，当所加热的气体温度过低或者气体流量过大时，水浴温度上升较慢，烟道和炉膛的温度也不高，燃料气燃烧产生的尾气和水蒸气通过烟道排出较慢，且容易在内部聚集，炉膛与外界空气形成的负压差过小，导致进入加热炉的空气太少，不足以保证燃料气充分燃烧而产生积炭。产生的积炭颗粒长时间堆积在加热炉炉膛和烟道中，炉膛和烟道空间面积减少，阻碍了空气流通，导致加热炉热效率降低。部分气井加热炉炉膛内积灰厚度达15～20cm，烟道内积灰厚度达10cm，炉膛积炭后，产生的积炭颗粒长时间堆积在加热炉炉膛和烟道中，大量积灰和沉积物导致炉膛和烟道空间面积减少，导致增大燃料气用气量时，加热炉水浴温度无明显变化，水套炉热效率低。

2.2 加热炉温控阀无法实现自动控温

当气井温度控制投到自动控制时，阀门在10%和90%二个点之间动作频繁，达不到稳定调节管道酸气温度的目的。为了保持加热炉的正常运行，温控阀只能置于手动状态。燃料气用量取决于温控阀的开度，温控阀手动调节受操作人员业务能力影响大，手动状态下常常出现加热炉出口酸气温度高于50℃，而未及时将温控阀开度减小，造成燃料气的极大浪费。

图1 Y-1H 井加热炉积锈严重

2.3 部分气井酸气管道温压参数不匹配

气田为了避免水合物生产，加热炉温控阀开度大，各级压力温度参数不匹配，部分气井由于井口温度高，实际加热后出站温度达到50℃以上，造成燃料气浪费。

3 处置对策

3.1 解决加热炉炉膛、烟道积炭

针对加热炉积炭积锈问题，一方面利用高压水定期对加热炉炉膛和烟道进行清洗，保证加热炉炉膛和烟道畅通；另一方面在加热炉炉头部位加装风扇，同时调整混合器风门调节燃料气与空气混合比，保证加热炉燃烧所需的氧气供给充足（图2～3）。措施应用后气井热效率增加5.57%～14.71%，清洗后热效率达到90%以上，燃料气节约4.06～10.47m3/h，效果较好。

图2 高压水射流清洗加热炉烟道

3.2 加热炉温控阀实现自动控温

针对气田加热炉温度无法实现自动控温导致燃料气浪费的情况，在原加热炉PLC 程序基础上，对每个单PID 加入数模运算，将设定的SP 值和PV值与PID的输出关系进行结合产生一个新的SP 值，让控制回路能够提前预知温度的变化，再进行相应的动作（图4）。

图3 加热炉加装风扇

表1 加热炉炉体清洗前后燃料气用量对比

根据工艺提供的相关温度要求，将出口温度控制值设置为38℃，将三级节流后温度设置为28℃，为使出口温度及三级节流后温度为主控，将水浴温度设定值拉高，设为70℃。加热炉温控阀实现自动控温后，与优化前相比，节省了大量的燃料气，优化前加热炉燃料气量为1100-1300m3/d，约为50m3/h，通过优化后在此工艺条件下燃料气流量为900m3/d，约为37.5m3/h，年节约燃料气109500m3。

图4 Y 气田优化的加热炉温度控制系统

3.3 各级温压参数优化

措施一：优化二、三级节流阀开度。

根据普光气田的经验，压力节流比（节流阀前压力除以节流阀后压力）大于等于1.5，温度低于20℃时，单质硫析出概率大，容易导致酸气管道发生单质硫堵塞；除此之外，节流比大会导致节流后温度下降快，也容易形成水合物堵塞。因此，优化二、三级节流阀开度的先决条件是保障酸气管道不发生单质硫、水合物沉积堵塞，因此需尽量满足以下两个条件：

①二级节流阀压力节流比低于1.5，三级节流阀压力节流阀低于1.5；

②运行压力18-22MPa 时温度高于22-26℃，运行压力9-13MPa 时温度高于18-20℃，运行压力5.0-8.4MPa 时温度高于14-19℃。由于集输管网压力及气井本身地层能量大小差异，根据Y气田目前气井油压情况，建立了不同油压范围下气井一级后压力、二级后压力控制表（表2）。

表2 气井各级压力建立要求

措施二：停运部分高产气井加热炉。

为优化场站工艺流程温度，停运井口油温高于60℃且二级节流后温度高于50℃气井加热炉，停运加热炉7 台，燃料气用量累计节约61.4m3/h，达到了节能减排，降本增效的目的。

本着成本最小、对生产影响最小且效果最好的原则，对加热炉热效率、加热炉温度控制系统、加热炉二、三级节流阀之间温压参数等方面进行逐一优化，对比2018 年10 月燃料气用量44.66 万方/月，优化后2019 年10 月燃料气用量为30.7 万方/月，用气量相比于2018 年总用气量降低了26.7%，效果显著。

4 结论

4.1 影响加热炉燃料气用量因素多，重点分析出要因是关键。采用消除加热炉积碳、加热炉自动控温等对策进行优化改造，有效降低加热炉燃料气用量26.7%，应用效果良好。

4.2 自动控温技术是实现加热炉温度控制的关键，能够有效控制集输管道温度，保障天然气安全输送。